一种基于极低频噪声反演台风风速的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于极低频噪声反演台风风速的方法。方法包括：根据海表等效压力分布筛选地脉动等效源区；获得加权中心位置；获得平均时延数据；根据OBS数据获得频谱信息从而获得瑞利波能量；进行补偿计算获得加权中心位置的瑞利波能量；取均值后获得地脉动等效源区的噪声源强度；建立反演目标模型；建立台风最佳拟合反演模型，将待监测台风的地脉动等效源区的噪声源强度输入，输出最大风速，最终实现台风风速的反演。本发明专利技术通过极低频噪声地脉动实现对台风风速的反演，从地脉动出发研究台风的风速，填补了用地脉动中特定震相的能量对台风强度进行反演的空白，证明了从瑞利波出发反演台风风速的可行性，为台风监测提供了新思路。路。路。

【技术实现步骤摘要】
一种基于极低频噪声反演台风风速的方法


[0001]本专利技术涉及了一种反演台风风速的方法，具体涉及一种基于极低频噪声地脉动中一种特定震相的能量反演台风最大风速的方法。

技术介绍

[0002]台风是极具破坏力的灾害性天气系统，主要通过强风、暴雨及风暴潮造成人员伤亡和经济损失。西北太平洋是强热带风暴最活跃的海区，全球每年三分之一的台风集中于这里，提高对台风过程强度的监测能力是防灾减灾的必要举措。
[0003]目前台风监测主要采用卫星遥感和气象飞机侦查两种方法。卫星遥感技术，难以准确反演台风高风速区域和降雨区域的风速；而气象侦查飞机存在操作难度大、危险性高、飞行代价昂贵等问题。因此，亟待新的台风强度监测方法，对传统方法进行必要的补充和相互验证。
[0004]通过海洋噪声反演获取台风强度是一种可行的新方法。但当下的研究选用噪声均在10Hz以上，部分甚至达到数kHz，噪声在传播时衰减快，采集难度大。因此须将水听器提前布置在台风路径上，当台风从观测装置上方附近经过时，才能有效收集噪声信号。近年来，台风激发极低频噪声(地脉动)被用来观测和研究台风，科学家已经实现基于地脉动信号的台风定位，但是利用地脉动信号对台风强度进行反演的研究发展缓慢，仅停留在统计分析阶段，尚缺乏从特定震相出发等更加具体的研究。

技术实现思路

[0005]为了解决
技术介绍
中存在的问题，本专利技术所提供一种基于极低频噪声反演台风风速的方法。
[0006]本专利技术采用的技术方案是：
[0007]本专利技术反演台风风速的方法包括如下步骤：
[0008]步骤1)在台风在洋面上移动过程中，针对台风移动期间每个台风中心路径点，根据台风移动路径的海域范围内海浪激发的每个频率的极低频噪声，即地脉动的海表等效压力分布情况，筛选出台风激发的地脉动频段，以该频段下的海表等效压力分布作为地脉动等效源区。
[0009]步骤2)针对台风移动期间的每个台风中心路径点，根据地脉动等效源区的位置，进行加权计算后获得当前时刻地脉动等效源区的加权中心位置；需要同时保证加权中心位置的时间分辨率同台风风速的时间分辨率相同。
[0010]步骤3)针对台风移动期间的每个台风中心路径点，根据台风中心路径点及其加权中心位置，计算获得波浪自台风中心路径点传播至加权中心位置的距离，进而获得波浪自台风中心路径点传播至加权中心位置的平均时延数据。
[0011]步骤4)根据预先布置在台风移动路径的海域范围内的若干个海底地震仪OBS在台风期间的OBS数据和平均时延数据，使用短时傅里叶变换进行时频分析，获得各个海底地震
仪OBS的OBS数据的频谱信息，进而在瑞利波频段范围内计算获得每个海底地震仪OBS获取的瑞利波能量。
[0012]步骤5)瑞利波从地脉动等效源区加权中心至OBS的传播过程中会产生能量损失；针对每个海底地震仪OBS获取的瑞利波能量，对海底地震仪OBS获取的瑞利波能量进行补偿计算，获得地脉动等效源区的加权中心位置的地脉动的瑞利波能量；根据各个海底地震仪OBS获得的地脉动等效源区的加权中心位置的地脉动的瑞利波能量，取均值后获得地脉动等效源区的噪声源强度，需保证其时间分辨率同风速数据一致。
[0013]步骤6)建立台风最大风速的反演目标模型，将地脉动等效源区的噪声源强度和台风的最大风速数据输入反演目标模型中，反演目标模型输出反演指数和反演系数。
[0014]步骤7)根据反演指数和反演系数建立台风最佳拟合反演模型，将待监测台风的台风移动路径的海域范围内海浪激发的每个频率的极低频噪声地脉动的海表等效压力分布情况重复步骤1)
‑
5)后，获得待监测台风的中心移动至各个台风中心路径点时的地脉动等效源区的噪声源强度，将待监测台风的中心移动至各个台风中心路径点时的地脉动等效源区的噪声源强度输入台风最佳拟合反演模型中，台风最佳拟合反演模型输出待监测台风的中心移动至各个台风中心路径点时的最大风速，最终实现台风风速的反演。
[0015]所述的步骤1)中，台风移动路径的海域范围内海浪激发的每个频率的极低频噪声地脉动的海表等效压力分布情况，具体为针对极低频噪声地脉动的各个频率，在预设网格经纬度分辨率的海域范围内，极低频噪声地脉动在每个网格点上的海表等效压力；极低频噪声地脉动的频率范围为0.05Hz
‑
0.5Hz。
[0016]极低频噪声地脉动的海表等效压力分布情况具体从法国海洋开发研究院(French Research Institute for Exploitation of the Sea,IFREMER)，也可通过如下方式计算获得：将台风路径的模拟海域范围的地形数据及风速数据输入WAVEWATCHⅢ海浪预报模型中，模拟海域范围内不同时段的海浪场，具体可每三小时构建一个波浪场，通过该海浪场计算对应各时段中各时刻各频率海浪产生的海表等效压力，获得在各个时刻不同频率海浪激发的极低频噪声地脉动的等效源区分布网格，等效源区分布网格经纬度分辨率为0.5
°
，即网格大小为0.5
°
*0.5
°
，也可使用更高分辨率。各个时刻是指：根据OBS数据的时频图，找出台风激发地脉动信号的时间，并以一定的时间间隔(如3小时)确定的时刻。
[0017]所述的步骤1)中，针对台风移动期间的每个台风中心路径点，根据台风移动路径的海域范围内海浪激发的每个频率的极低频噪声地脉动的海表等效压力分布情况，筛选出台风激发的地脉动频段，以该频段下的海表等效压力分布作为地脉动等效源区，具体为针对每个频率的极低频噪声地脉动的海表等效压力所在的网格，获取当前频率下与台风中心路径点之间的距离小于预设距离的网格作为最优网格并获取其数量，比较各个频率的极低频噪声地脉动下的最优网格的数量，选取最优网格的数量最大的一个频率的极低频噪声地脉动作为最优地脉动；筛选最优地脉动的海表等效压力中大于预设强度阈值的各个海表等效压力所在的网格最为最优网格，各个最优网格构成台风激发的地脉动等效源区。地脉动等效源区位于台风的台风中心路径点(lon，lat)附近，台风中心路径点附近的范围为[lon
‑
23，lon+7，lat
‑
15，lat+5]的矩形框。
[0018]所述的步骤2)中，当前时刻地脉动等效源区的加权中心位置具体如下：
[0019][0020][0021]其中，Lon和Lat分别为加权中心位置的经纬度；α
i
表示地脉动等效源区内的第i个网格点的权重；lon
i
和lat
i
分别为地脉动等效源区内的第i个网格点的经纬度。
[0022]所述的地脉动等效源区内的第i个网格点的权重α
i
具体如下：
[0023][0024][0025][0026]其中，p2l表示地脉动等效源区内的第i个网格点的源区强度；p2l
all
表示地脉动等效源区内的各个网格点的海表等效压力；p2l
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于极低频噪声反演台风风速的方法，其特征在于：方法包括如下步骤：步骤1)在台风在洋面上移动过程中，针对台风移动期间每个台风中心路径点，根据台风移动路径的海域范围内海浪激发的每个频率的极低频噪声，即地脉动的海表等效压力分布情况，筛选出台风激发的地脉动频段，以该频段下的海表等效压力分布作为地脉动等效源区；步骤2)针对台风移动期间的每个台风中心路径点，根据地脉动等效源区的位置，进行加权计算后获得当前时刻地脉动等效源区的加权中心位置；步骤3)针对台风移动期间的每个台风中心路径点，根据台风中心路径点及其加权中心位置，计算获得波浪自台风中心路径点传播至加权中心位置的距离，进而获得波浪自台风中心路径点传播至加权中心位置的平均时延数据；步骤4)根据预先布置在台风移动路径的海域范围内的若干个海底地震仪OBS在台风期间的OBS数据和平均时延数据，使用短时傅里叶变换进行时频分析，获得各个海底地震仪OBS的OBS数据的频谱信息，进而在瑞利波频段范围内计算获得每个海底地震仪OBS获取的瑞利波能量；步骤5)针对每个海底地震仪OBS获取的瑞利波能量，对海底地震仪OBS获取的瑞利波能量进行补偿计算，获得地脉动等效源区的加权中心位置的地脉动的瑞利波能量；根据各个海底地震仪OBS获得的地脉动等效源区的加权中心位置的地脉动的瑞利波能量，取均值后获得地脉动等效源区的噪声源强度；步骤6)建立台风最大风速的反演目标模型，将地脉动等效源区的噪声源强度和台风的最大风速数据输入反演目标模型中，反演目标模型输出反演指数和反演系数；步骤7)根据反演指数和反演系数建立台风最佳拟合反演模型，将待监测台风的台风移动路径的海域范围内海浪激发的每个频率的极低频噪声地脉动的海表等效压力分布情况重复步骤1)
‑
5)后，获得待监测台风的中心移动至各个台风中心路径点时的地脉动等效源区的噪声源强度，将待监测台风的中心移动至各个台风中心路径点时的地脉动等效源区的噪声源强度输入台风最佳拟合反演模型中，台风最佳拟合反演模型输出待监测台风的中心移动至各个台风中心路径点时的最大风速，最终实现台风风速的反演。2.根据权利要求1所述的一种基于极低频噪声反演台风风速的方法，其特征在于：所述的步骤1)中，台风移动路径的海域范围内海浪激发的每个频率的极低频噪声地脉动的海表等效压力分布情况，具体为针对极低频噪声地脉动的各个频率，在预设网格经纬度分辨率的海域范围内，极低频噪声地脉动在每个网格点上的海表等效压力；极低频噪声地脉动的频率范围为0.05Hz
‑
0.5Hz。3.根据权利要求2所述的一种基于极低频噪声反演台风风速的方法，其特征在于：所述的步骤1)中，针对台风移动期间的每个台风中心路径点，根据台风移动路径的海域范围内海浪激发的每个频率的极低频噪声地脉动的海表等效压力分布情况，筛选出台风激发的地脉动频段，以该频段下的海表等效压力分布作为地脉动等效源区，具体为针对每个频率的极低频噪声地脉动的海表等效压力所在的网格，获取当前频率下与台风中心路径点之间的距离小于预设距离的网格作为最优网格并获取其数量，比较各个频率的极低频噪声地脉动下的最优网格的数量，选取最优网格的数量最大的一个频率的极低频噪声地脉动作为最优地脉动；筛选最优地脉动的海表等效压力中大于预设强度阈值的各个海表等效压力所在的
网格最为最优网格，各个最优网格构成台风激发的地脉动等效源区。4.根据权利要求2所述的一种基于极低频噪声反演台风风速的方法，其特征在于：所述的步骤2)中，当前时刻地脉动等效源区的加权中心位置具体如下：的步骤2)中，当前时刻地脉动等效源区的加权中心位置具体如下：其中，Lon和Lat分别为加权中心位置的经纬度；α
i
表示地脉动等效源区内的第i个网格点的权重；lon
i
和lat
i
分别为地脉动等效源区内的第i个网格点的经纬度。5.根据权利要求4所述的一种基于极低频噪声反演台风风速的方法，其特征在于：所述的地脉动等效源区内的第i个网格点的权重α
i
具体如下：具体如下：具体如下：其中，p2l表示地脉动等效源区内的第i个网格点的源区强度；p2l
all
表示地脉动等效源区内的各个网格点的海表等效压力；p2l...

【专利技术属性】
技术研发人员：林建民，应晨瑜，嵇宸，徐晨淞，唐群署，瞿逢重，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：